CN104716819A

CN104716819A - Dc-dc电压转换器和转换方法

Info

Publication number: CN104716819A
Application number: CN201410730420.5A
Authority: CN
Inventors: 美拉尼·菲利普
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: EP2884643B1; US9425685B2; US20150162824A1; CN104716819B; EP2884643A1

Abstract

本发明涉及DC-DC转换器、RF通信电路以及DC-DC转换方法。DC-DC转换器使用开关电容器装置。滤波电容器连接在开关电容器装置的一个端子和固定电压线之间，以及校准装置用于设置或选择滤波电容器的电容。通过这种方式，电容器被添加到开关电容器装置的端子上。可以选择或调整电容值，以将DC-DC转换器的电流能力保持在规定限制之内。

Description

DC-DC电压转换器和转换方法

技术领域

本申请涉及DC-DC电压转换器，该DC-DC电压转换器用于从输入电压可变的电压输入生成经调整的电压输出。输出电压可以具有比输入电压更高或更低的值，并且即使输入电压和输出负载可能会改变，输出电压也是稳定的。

背景技术

开关电容器DC-DC电压转换器通常使用“飞跨电容器(flyingcapacitor)”。这些电容器从输入电压充电，然后放电到负载，从而提供电荷转移和恒定的输出电压。

图1示出了已知的基本的DC-DC转换器电路。

该电路包括开关电容器Csw。该开关电容器Csw的一个端子SAP通过第一开关S1连接到输入，通过第三开关S3连接到输出。该开关电容器Csw的另一个端子SAM通过第四开关S4连接到输入，通过第二开关S2接地。

这种类型的基本的DC-DC转换器集成开关S1至S4和振荡器，以使得这些开关S1、S2和S3、S4成对地交替工作。

振荡器的输出显示为时钟信号Clk，并且时钟信号Clk取决于VOUT是否已经达到目标电压Vref被传递到这些开关。与门10控制时钟信号的传递，比较器比较输出电压(或从输出电压得到的电压)与基准电压Vref。比较器的输出用于控制是否与门传递时钟信号。因此比较器的输出是控制转换器泵送的控制信号PUMP。当该信号为高时，循环的电荷泵被启用，当该信号为低时，该循环被停止。

所示的配置使输入电压翻倍。

DC-DC转换器根据时钟序列在两个阶段工作。在第一个半周期(存储阶段)，闭合开关S1和S2，将飞跨电容器Csw充电到输入电压Vin。在第二个半周期(加载阶段)，闭合开关S3和S4，打开开关S1和S2。这个动作使Csw的负极端子SAM连接到Vin，使正极端子SAP连接到VOUT。如果输出负载Cload两端的电压比Csw两端的电压小，则电荷从Csw流向Cload。

存储阶段和加载阶段交替出现，使DC-DC转换器的输出电压升高，直到达到目标值Vref为止。当VOUT达到Vref时，切换时钟被停止，然后DC-DC转换器保持在存储阶段。

一旦VOUT低于Vref，DC-DC转换器重新开始泵送，交替存储阶段和加载阶段，直到VOUT再次上升到高于Vref。

应当通过使用比较器12的电压滞后在电压窗口内调整DC-DC转换器的输出电压。通过这种方式，在Vref和Vref+Hyst之间调整VOUT。VOUT上升沿的阈值电压为Vref+Hyst，VOUT下降沿的阈值电压为Vref。

图2示出了这一操作，并示出了输出电压VOUT的电压波形，输出电压VOUT在Vref和Vref+Hyst之间波动。

在启动时间期间，DC-DC转换器将能量从Vin泵送到VOUT，并且VOUT上升到Vref+Hyst。然后DC-DC转换器通过保持在存储状态而停止。这一过程被示为阶段P1，它对应的是信号PUMP为低时，等待输出电压回落到Vref。

在阶段P1期间，由于输出负载电流使得VOUT线性下降直到Vref，然后DC-DC转换器重新启动，以使VOUT升高直到Vref+Hyst。这一升高涉及交替的加载阶段P2和存储阶段P3。

本申请特别涉及电路的瞬态行为。图3示出了包括开关的导通电阻的电路的存储阶段P3和加载阶段P2。

考虑到电阻元件，图4示出了输出VOUT和电容器端子SAP和SAM在三个阶段上的瞬态行为(存储阶段P3，然后是加载阶段P2，然后是存储阶段P3)。

图4是当DC-DC转换器处于稳定状态时输出电压VOUT的放大视图。因此，时刻t＝0是简单地用于提供参考点，在该参考点处定义电压VOUT0和SAM0。

节点SAP上的最大电压SAPmax是在阶段P2开始之后不久(即经过基准时间t＝0之后的短时间ε)。在每个阶段开始时，飞跨电容器可以被视为短路。

因此，当从阶段P3切换到P2时，该电路结构如图5所示。

在t＝0时，在端子SAM上的电压等于VOUT除以二。最大电压SAPmax为SAM0加上VIN。所以最大电压等于：

SAPmax＝VOUT0/2+VIN

用于创建图4的时间图的模型是基于理想的DC-DC转换器的模拟。然而，实际上，在切换过渡阶段期间，在SAP引脚上会看到较高的电压。实际的硅器件和模型之间这种差异可以通过引入寄生变量进行说明。

通过引入从DC-DC转换器电源开关和输出电线得到的寄生变量，在阶段P2之前SAM上的初始状态被改变。

图6示出了添加了寄生电容器和电感的电路。

所添加的寄生电容器和电感被定义如下：

(i)在DC-DC转换器集成电路的输出和外部输出电容器之间的串联电感被建模为电感Lout。其充电在SAP上引起过冲。其时间常数被定义为：

τ_{L} = \frac{L_{out}}{R_{on}}

(ii)DC-DC电源开关的栅极被建模为电容器。在SAM引脚上看到的电容器和被命名为Cgate。它限制了SAP上的过冲。其时间常数被定义为：

τ_gate＝R_on×C_gate

在这种情况下，在DC-DC转换器的SAP引脚上的最大电压可被表示为：

{SAP}_{0} = \frac{{VUP}_{0}}{2} \times (1 - \frac{τ_{gate}}{τ_{L} + τ_{gate}}) \times (1 + {(\frac{τ_{gate}}{τ_{L} + τ_{gate}})}^{\frac{τ_{gate}}{τ_{L}}}) + VIN

这个公式源自对图6的电路分析。

图7示出了DC-DC转换器的SAP引脚上的最大电压(在时间t＝ε时，值SAPmax)与寄生串联电感的关系。在这个例子中，输入电压为4.5V，输出电压为5.5V，栅极寄生电容器为1nF。在这个例子中，开关电容器Csw为330nF，负载电容器为250nF。导通电阻RON为0.5Ω。

这个例子显示了两个主要问题：

(i)获得从7.25V到9.5V大范围的DC-DC最大电压作为寄生电感的函数。

(ii)用户不能通过控制COUT或Csw来减小DC-DC的最大电压。

事实上，该最大值只是在存储(即放电)阶段P3的开头作为过冲出现。

图8示出了具有寄生和不具有寄生的电容器端子引脚的瞬态行为。实的SAP和SAM线表示具有寄生，虚线表示不具有寄生。

这种过冲对于DC-DC转换器操作是很不好的，因为它会产生噪声(EMC和开关噪声)。因此，对DC-DC转换器的实现增加了设计约束，因为DC-DC的内部组件应当处理电过载。直流-DC转换器的电性能更依赖于用户应用超过依赖于硅。

发明内容

根据实例，本发明提供了DC-DC转换器，包括：

开关电容器装置；

连接在开关电容器装置的一个端子和固定电压线之间的滤波电容器；和

校准装置，用于确定滤波电容器的电容。

该转换器具有耦合到开关电容器装置的滤波电容器，添加该滤波电容器以降低电路的电压过冲。通过这种方式，在降低的DC-DC转换器的过冲电压和高电流能力之间找到折衷。电容器消除了或降低了过冲，从而减小了DC-DC转换器的输入和输出电压上的开关噪音，因而提高了集成电路的使用寿命。选择电容器以保持所期望的DC-DC转换器的电流能力。

这可以解决电容器性DC-DC转换器对外部寄生电感(封装打线，PCB线路)敏感的问题，这一问题会在转换器的引脚上产生过冲电压，增大输入和输出电压上的噪声。

被选择的滤波电容器然后考虑来自用户应用的寄生效应作为使用校准操作的结果。

滤波电容器可以是可变电容器，从而可以根据校准操作来设置电容器。然后该校准装置可以包括可控电流源，用于从转换器的输出拉取可控输出电流。这可以被用来模拟要被容忍的最大直流负载电流的情况，从而模拟将要经历峰值过冲的情况。

校准装置可以包括存储器，该存储器用于存储所期望的电容值。

开关电容器装置可以包括：

电容器装置；

开关装置，用于在加载阶段期间控制电容器装置耦合到转换器的输入，以及在存储阶段期间控制电容器装置耦合到转换器的输出；和

用于控制开关装置的电路。

电容器装置可以具有第一端子和第二端子，其中第一端子通过第一开关连接到转换器的输入，并通过第三开关连接到转换器的输出，第二端子通过第二开关接地，并通过第四开关连接到转换器的输入。这定义了基本的DC-DC转换器的结构。

滤波电容器可以连接在第二端子和固定电压线之间，该固定电压线可以是地。电容器装置可以包括单个电容器。

本发明还提供了RF通信电路，包括：

接收机电路和/或发射机电路；和

转换器，用于从电池对接收机电路和/或发射机电路提供电源。

接收机电路和/或发射机电路可以包括近场通信电路。

本发明还提供了DC-DC转换方法，包括：

对DC-DC转换器进行校准，该DC-DC转换器包括开关电容器装置；

基于校准确定要连接在开关电容器装置的一个端子和固定电压线之间的滤波电容器的大小。

校准可以包括设置可变电容器或者确定要连接到转换器电路的电容器的大小作为用户配置的一部分，该可变电容器是转换器电路的一部分。

附图说明

将参照以下附图详细地描述实施例，其中：

图1示出了已知的DC-DC转换器电路；

图2示出了图1的电路的时序图；

图3示出了添加了等效电阻的图1的电路的两个周期的等效电路图；

图4是用于说明电压过冲问题的时间图；

图5示出了在加载阶段开始时的等效电路；

图6示出了包括寄生的在加载阶段开始时的等效电路；

图7示出了在最大输出电压处的寄生电感的作用；

图8示出了在图4的时间图上寄生的作用；

图9示出了DC-DC转换器电路的例子；以及

图10示出了对输出电压的作用以解释转换器电路的好处。

具体实施方式

本申请描述了使用开关电容器装置的DC-DC转换器。滤波电容器连接在电容器装置的一个端子和固定电压线之间，校准装置用于设置或使得能够选择滤波电容器的电容器。

通过这种方式，电容器被添加到开关电容器装置的端子上。可以选择或调整电容值，以将DC-DC转换器的电流能力保持在规定限制之内。

这种调整或选择可以以两种方式来实现：

(i)使用外部电容器

在这种情况下，可以由用户来选择电容器。对于所需的DC-DC转换器的电流能力，DC-DC转换器集成电路可以被设计为用于最坏的情况，这通常表示最高的工作温度。通过校准装置使DC-DC转换器加载最大的负载电流，然后调整所添加的滤波电容器，直到达到所期望的DC-DC转换器过载。然后使用该电容值。

这提供了简单的解决方案，但是该解决方案不需要外部元件，它需要用户进行调整。

(ii)使用内部可调谐电容器

在这种情况下，可以使用内部可编程电容器，然后可以通过校准过程来对值进行设置。这避免了对外部元件的需要，但增加了硅集成电路的复杂度。

现在将参考图9描述利用内部可调谐电容器的实现方式。

主DC-DC转换器电路90可以是常规设计的。

该转换器的一种可能的实现方式如图1所示。在本实施例中，开关电容器装置包括电容器装置和开关装置，该电容器装置是单个电容器C_SW的形式，该开关装置用于在加载阶段期间控制电容器装置到转换器输入的耦合，在存储阶段期间控制电容器装置到转换器输出的耦合。有一个电路控制开关装置。

电容器装置具有第一端子SAP和第二端子SAM。第一端子SAP通过第一开关S1连接到输入，通过第三开关S3连接到输出，第二端子SAM通过第二开关S2接地，通过第四开关S4连接到输入。

已知的是，转换器电路具有用于输入VIN、输出VOUT和接地GND连接的外部引脚，以及用于连接到开关电容器CSW的两个端子SAM和SAP。在图9中示出了这些外部连接。

因此，开关电容器位于具有转换器开关和控制电路的集成电路之外。

输出电容器COUT连接在地和输出VOUT之间。

该实现方式提供了可变电容器92，该可变电容器92由CFILTER来表示，该可变电容器92连接在开关电容器的一个端子和地之间，在所示的例子中，该可变电容器92连接在端子SAM和地之间。

对电容器的设置是由校准装置94来控制的，可以以由处理器操作的算法的形式来进行控制。为了校准的目的，可编程电流源96被提供用于加载DC-DC转换器的输出。

可编程电容器92实质上起到对DC-DC转换器的开关节点SAM进行滤波的作用。

在校准阶段期间，通过控制电流源96，将负载电流设置为最大的规定限值。然后校正滤波电容器92，以达到所期望的DC-DC转换器的过载。

DC-DC转换器的过载是通过控制DC-DC操作，特别是通过控制转换器一直泵送而没有停止泵送的阶段(图2中的阶段P1)来提供的。

当DC-DC转换器一直泵送时，这意味着它的负载电流高于它的电流能力，所以它不再能够调整它的输出电压。因此，输出电压会略有下降。因此，基于当DC-DC转换器不能调整其输出电压来检测过载。

因此可以通过检测DC-DC转换器的输出电压来对DC-DC转换器进行过载检测。利用模拟技术进行电压检测需要使用裸芯片的面积，并且与数字实现方式相比，利用模拟技术进行电压检测比较慢，因此数字实现方式是优选的。在这种情况下，可以用简单的触发器电路，例如通过锁存信号“PUMP”(图1)与时钟基准来实现检测，并且当计数器结果高于超时值时能够产生数字中断。

对于数字时间计数器，超时可以例如被设置为128×基准时钟。这对硅在快速检测和补偿PVT影响之间提供了折衷。

校准装置94具有用于控制电流源96、用于设置可变电容器92、以及还用于启动转换器(控制线97)和用于接收过载标识符(输入线98)的输出。

所确定的要使用的电容值被存储在存储器99中。

可以通过离线校准来实现校准(即在启动DC-DC转换器之前进行校准)，或者可以通过在线校准(即在操作期间)来实现校准。在线校准调整滤波电容器以适应用户的负载电流。

所需的用于电容器92的滤波电容器将取决于负载以及用户的要求。

在一个实例中，开关电容器可以是330nF，然后滤波电容器将典型地具有比较小的nF。

通过更通常的实例，滤波电容器可以典型地是开关电容器装置的(总)电容器在0.1％至10％的范围内。

图10示出了基于连接到端子SAM的两个不同的电容器(1nF的和11nF)以及在不带滤波电容器的情况下得到的结果。

图10是基于在市场上销售的转换器。图10中绘制的是在引脚SAP和VOUT上看到的最大电压与输入电源电压VDDP。

由于这个电容器，在SAP端子上看到的最大电压下降。

已经表明，当将11nF的电容器添加到SAM节点时，在电源电压线VCC上由SAP过冲产生的噪音减半。

一些例子能够降低开关噪声并且降低EMC干扰。转换器变得对特定用户应用不太敏感。电路的使用寿命可以被提高，并且DC-DC转换器的电流保护能够具有更好的精度。可以对添加的电容器进行微调以将DC-DC过载电流调整到规定限值。

这种类型的DC-DC转换器具有在许多不同领域中的应用。一个实例是用于近场通信(“NFC”)应用，诸如RFID应用。NFC系统例如用于与智能卡进行非接触式安全通信。在这种应用中，NFC设备能够在卡模式或读取器模式下工作。

在卡模式下，NFC设备作为非接触式智能卡，而在读取器模式下，NFC设备作为非接触式智能卡读取器。

当在读取器模式下操作时，NFC产品发送磁场用于对卡进行供电(卡对来自场能的电压进行过滤，以对卡产生电源电压)，以及用于卡和NFC设备之间的数据交换。这种通信利用幅度调制。

NFC前端执行RF轮询以检测卡。一旦卡被引入场内，则执行数据交换。

这种类型的非接触式NFC设备的主要市场为移动应用。在这种用户应用中，NFC电路直接由移动电池供电。这些NFC设备应当工作在电池电压范围内。

为了提供恒定的通信距离，NFC发射机的电源电压应当在电池电压范围内是稳定的。为了提供更高的通信距离，NFC发射机的电源电压应当尽可能的高。为了满足高且稳定的通信距离，需要DC-DC升压转换器来从移动设备的电池对NFC发射器供电。

在上面的例子中，开关电容器装置是单个电容器。然而，可以使用更复杂的电容器网络。

在上文中详细地描述了内部可变电容器的使用，带有能够在很大程度上自动校准的校准系统。手动选择的电容器的替代方案是类似的，并且实质上对应于相同处理的手动版本。然后，用户配置电流源以从输出获取所需的峰值电流，并且在电路中连接不同的电容器，或者调整可变电容器，同时采取所需的测量以确定所产生的电压过冲。所使用的电流源，用于提供电压过冲测量的电路再次构成校准装置。

从这些测量中，选择要使用的电容器，或者建立可变电容器的所需设置。

上述校准装置利用控制器。控制器可以利用的组件包括但不限于常规的微处理器，专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实现方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，这些存储介质例如是易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM，PROM，EPROM和EEPROM。可以用一个或多个程序对存储介质进行编码，当在一个或多个处理器和/或控制器上执行这些程序时，所需的功能被执行。各种存储介质可以被安装在处理器或控制器内，或者可以是便携式的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。

基于本文中的附图、公开的内容以及所附的权利要求，本领域技术人员在实施本发明时可以想到本文中所公开的实施例的其他变形例。本文中所使用的“包括”并不排除其他组成部分或步骤，本文中的“一”或“一个”并不排除多个。事实是，某些手段在相互不同的从属权利要求中被叙述并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中出现的参考标号并不用来限制保护范围。

Claims

1.一种DC-DC转换器，其特征在于，包括：

开关电容器装置(90)；

连接在开关电容器装置的一个端子和固定电压线之间的滤波电容器(92)；和

校准装置(94)，用于确定滤波电容器的电容。

2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，滤波电容器(92)是可变电容器。

3.如权利要求2所述的转换器，其特征在于，校准装置包括可控电流源(96)，用于从转换器的输出拉取可控输出电流。

4.如权利要求3所述的转换器，其特征在于，校准装置包括存储器(99)。

5.如前述任一权利要求所述的转换器，其特征在于，开关电容器装置包括：

电容器装置(Csw)；

开关装置(S1-S4)，用于在加载阶段期间控制电容器装置耦合到转换器的输入，以及在存储阶段期间控制电容器装置耦合到转换器的输出；和

用于控制开关装置的电路。

6.如权利要求5所述的转换器，其特征在于，电容器装置具有第一端子和第二端子，其中第一端子(SAP)通过第一开关(S1)连接到转换器的输入，并通过第三开关(S3)连接到转换器的输出，第二端子(SAM)通过第二开关(S2)接地，并通过第四开关(S4)连接到转换器的输入。

7.如权利要求6所述的转换器，其特征在于，滤波电容器(92)连接在第二端子(SAM)和固定电压线之间。

8.如权利要求7所述的转换器，其特征在于，固定电压线是地。

9.如前述任一权利要求所述的转换器，其特征在于，开关电容器装置包括单个电容器(Csw)。

10.一种RF通信电路，其特征在于，包括：

接收机电路和/或发射机电路；和

如前述任一权利要求所述的转换器，用于从电池对接收机电路和/或发射机电路提供电源。

11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，接收机电路和/或发射机电路包括近场通信电路。

12.一种DC-DC转换方法，其特征在于，包括：

对DC-DC转换器进行校准，该DC-DC转换器包括开关电容器装置(90)；

基于校准确定要连接在开关电容器装置的一个端子和固定电压线之间的滤波电容器(92)的大小。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括设置可变滤波电容器(92)的值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，校准包括从转换器的输出拉取受控的输出电流，确定在DC-DC转换器中所产生的电压过冲，以及选择可变电容器的值以减小过冲。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括选择合适的固定滤波电容器。